利用活性炭与无机粉末热涂层技术实现伪装面料防护效果的研究

《Case Studies in Construction Materials》：Thermal coating of camouflage fabric using activated carbon and inorganic powder for protective effect

　　

本研究开发了一种用于军用纺织品的多功能热伪装涂层，利用活性炭（Activated Carbon, AC）和无机粉末提供针对化学、生物和放射（Chemical, Biological, and Radiological, CBR）危害的防护。通过傅里叶定律（Fourier’s Law）进行传导分析，并结合斯特藩-玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann Law）进行辐射分析，评估了热抑制性能。结果表明，低发射率涂层（ε ≈ 0.55）协同降低了热通量，在150°C时实现了42.1%的辐射热传递减少，从而显著增强了红外（Infrared, IR）隐蔽性。涂层的物理和化学性质通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、紫外-可见-近红外光谱仪（UV-Vis-NIR spectroscopy）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR-FTIR）进行了表征。SEM分析涵盖了四种处理组：（1）AC，（2）AC+滑石粉（Talc）+二氧化钛（TiO2），（3）AC+TiO2+Talc+膨润土（Bentonite），以及（4）优化的AC+TiO2+Talc+Bentonite复合材料。结果显示，在高达4000倍的放大倍数下，粉末和粘合剂在织物纹理内呈现出有序的非晶态分布。UV-Vis-NIR光谱表明，优化后的复合材料有效抑制了噪声，特别是在紫外-可见光区域。虽然涂层后某些色度的红外反射率有所下降，但黑色和棕色伪装组件仍符合标准军用规格。ATR-FTIR分析确定了与v(C = O)、v(CH2)、v(CN)伸缩振动相关的关键吸收峰。所有处理组在500–1500 cm-1范围内，特别是1018.18 – 1023.52 cm-1之间，均表现出稳定的光谱强度。除了伪装能力外，复合涂层还展示了卓越的环境效用，借助活性炭和无机成分的功能位点，实现了15.5%的铅（Pb(II)）去除效率。本研究为下一代军用个人防护装备（Personal Protective Equipment, PPE）提供了一个稳健的解决方案，战略性地平衡了高温热屏蔽与多功能有害物质螯合能力。

近年来，全球化学战与恐怖主义威胁日益加剧，这对确保军事准备和人员安全提出了迫切需求。在此背景下，防护服作为主要的防御机制，其性能至关重要。然而，目前的防护系统通常采用双层织物设计，在湿热环境中面临材料效率急剧下降和使用寿命缩短的挑战。为了应对这些脆弱性， ongoing research 致力于通过整合吸附材料来增强内层防护。其中，活性炭因其高比表面积和多孔结构被广泛用作主要功能成分，用于捕获有毒颗粒和蒸汽。泰国皇家陆军（Royal Thai Army）近期尝试通过在训练服表面涂覆结合活性炭与有机及无机材料的涂层来改进伪装训练服，旨在利用“荷叶效应”排斥液滴并提供透气基质。在此背景下，本研究提出了一种专门开发的表面涂层，集成了高纯度活性炭与金红石级二氧化钛（Rutile-grade Titanium Dioxide, TiO₂）。活性炭源自国内生物质（椰壳），通过在朱拉隆功大学沙没巴干校区使用回转窑反应器进行受控碳化工艺制备。选择金红石型而非锐钛矿型 TiO₂，是因为其优异的折射率能提供出色的紫外线/红外线屏蔽及稳定的近红外（Near-Infrared, NIR）反射率，且其较低的光催化活性确保了纺织纤维和有机粘合剂的完整性，延长了防护服在野外条件下的使用寿命。本研究的核心创新在于对由活性炭、TiO₂、膨润土和淀粉组成的多组分功能粉末进行优化的热处理。通过在150°C下精确加热25分钟，在不改变晶体结构的情况下实现了 TiO₂在基体中的稳定嵌入，同时促进了碳-淀粉界面处的孔隙打开，潜在地增强了毒素吸附能力。本研究的主要目的是开发一种高性能、国产化的防护涂层，提供同步的化学吸附、紫外线防护和红外伪装功能，从而减少对外国技术的依赖并加强国防能力。

为了开展此项研究，研究人员采用了几项关键技术方法。首先，通过 SEM 结合能量色散谱（Energy Dispersive Spectroscopy, EDS）分析粒子微观形貌与元素组成；其次，利用 UV-Vis-NIR 分光光度计测试面料的光学吸收与反射特性；此外，采用 ATR-FTIR 识别材料表面的官能团；最后，通过原子吸收光谱（Atomic Absorption Spectroscopy, AAS）定量分析面料对铅离子（Pb(II)）的吸附效率，并结合热传导方程（傅里叶定律）与热辐射方程（斯特藩-玻尔兹曼定律）计算涂层的热阻值与发射率。

在研究结果部分，各项分析揭示了涂层的具体表现。首先是孔隙率分析，研究人员发现活性炭、滑石粉、二氧化钛和膨润土的累积孔体积值在0.020至0.094 cm³/g之间，表明其具备吸附化学物质和生物物质的潜力。其次是热涂层与热阻值（R-value）分析，通过稳态热传导模型计算得出，40微米厚的涂层热阻值为2.0 x 10^-4m²·K/W，且涂层表面发射率从0.95降低至0.55，在150°C下实现了约42%的辐射热通量削减，有效提升了红外隐蔽性。第三是 SEM 图像分析，观察显示复合涂层能均匀分布在纤维表面，使纤维更光滑并减少粗糙痕迹，证明了热压工艺的有效性。第四是 UV-Vis NIR 分析，复合涂层显著减少了光谱噪声，且黑色和棕色的近红外反射率符合军用标准，但深绿和浅绿的反射率略低于标准。第五是 ATR-FTIR 分析，确认了涂层中 C-O 伸缩振动或 Si-O-Si 骨架振动的存在，表明无机添加剂成功融入涂层基质。最后是 Pb(II) 吸附分析，统计检验表明 AC + 膨润土 + 滑石粉 + TiO₂复合配方达到了最高的铅去除效率（15.6%），显示出各组分间的协同作用。

在讨论与结论部分，研究总结指出，通过在150°C下热处理25分钟，成功将活性炭和无机粉末牢固粘附于纺织品纤维上。TiO₂在此过程中发挥了双重作用，既防护紫外线又充当结构粘合剂。膨润土的加入显著提升了整体吸附容量，其层状结构能在溶质吸附中从非饱和状态转变为饱和状态。SEM 证实了复合材料在纤维表面的均匀分布，尽管热涂层过程轻微降低了纤维排列的有序性，但织物整体结构保持完整。光学分析表明，四组分复合涂层优于其他简化配方，能有效控制光谱噪声和热信号。ATR-FTIR 光谱稳定在1018.18–1023.52 cm^-1区间，验证了涂层化学结构的稳定性。最终，该研究成功开发了一种兼具先进热特征管理与环境保护能力的多功能伪装涂层，为下一代军用个人防护装备提供了战略性的平衡方案，既能屏蔽高温热辐射，又能螯合多功能有害物质。